【成果推介|国家重点研发计划】大型风电叶片磨抛移动式加工机器人系统-国家技术转移中心

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【成果推介|国家重点研发计划】大型风电叶片磨抛移动式加工机器人系统

来源: 作者: 发布时间：2023-06-29 阅读量：

【所属领域】

智能制造、能源环保

【痛点问题】

作为风力发电机组的关键核心部件之一，风电叶片在能源行业有着广泛应用，其制造水平也是国家制造业水平的体现。风电叶片在脱模完成后，其型面及叶根处均需要打磨，但由于风电叶片具有自由曲面型面、尺寸大（≥50m）、型面精度要求高（≤±0.05mm）、弱刚性的特点，所以迄今为止其表面打磨加工尚未实现自动化。

目前，我国风电叶片生产骨干企业对叶片表面打磨的工序主要以手工方式为主。这种操作过程复杂，具有人工定位随机性大、叶片去除余量和打磨位置难以控制、叶尖区域打磨易回弹等特点，而且人工打磨存在生产效率低（需配置多名员工连续作业、人工劳动强度大）、工作环境恶劣（粉尘危害严重，需佩戴防毒面罩作业）、操作稳定性差（打磨效果易受员工状态、情绪、熟练程度等的影响）、成本费用高（人工成本、劳保用品、员工体检等）等问题，这直接对风电叶片高效智能自动化加工方式提出了迫切需求。

为保证打磨质量符合行业标准，型面过渡平滑、无氧化烧伤，需要研究“大型复杂曲面机器人高效磨抛加工的主动顺应与协同控制”这一关键科学问题，该问题的解决需要依赖于如下关键技术的突破：末端执行器，尤其是磨抛法兰的设计和力位自律跟踪。

【成果介绍】

本成果提出了一种新型的移动式磨抛加工机器人方案，实现了具有高转动输出特性的并联机构构型创新设计与尺寸参数优化，建立了机器人整机高刚度高能效设计方法，开发了高能量密度关键驱动单元，搭建了开放式机器人控制系统并研制了移动式混联磨抛机器人系统样机，攻克了机器人精度保证难题并实现了末端执行器的准确定位。

项目研究了曲面自适应的主被动耦合柔性磨抛法兰，建立材料去除模型以研究进给速度与接触力同步耦合规划方法、开发了面向大型风电叶片磨抛加工余量检测的原位视觉测量系统，进行了面向大型风电叶片磨抛的原位视觉测量-余量补偿-力控加工的自适应打磨与验证，为大型风电叶片力控磨抛工艺系统设计提供了理论基础和实现手段。

并且项目研制基于玻璃钢叶片高光反射表面三维激光扫描测头，构建了面向超大叶片的多移动机器人协作型激光三维测量系统，并完成了大型风电叶片测量软件的开发，实现风电叶片高精度定位以及健壮、高效高精的多机器人协作测量与叶型分析。

图1电动单自由度柔性法兰

图 2面结构光方法测量精度验证试验

（a）风电叶片（b）气动式柔性磨抛法兰

（c）蓝光相机视觉测量系统

图 3气动式柔性法兰磨抛风电叶片实验图

【技术优势】

本研发成果对于实现大型复杂曲面的顺应性力控磨抛具有重要的应用价值。所研发的柔性磨抛法兰具有柔性好、曲面顺应性强、力控精准等优势，将力控制与位置控制解耦，更加方便在封闭式的商业工业机器人上进行推广，而无需对机器人底层进行开发和编程，因此，可以在大型复杂曲面零件的磨抛加工中得到大量应用。较之传统人工加工方式，机器人柔性法兰磨抛方式最大限度地减少了粉尘对操作工人身体伤害,有效减少职业病的发病人数，具有明显的社会效益。

【技术指标】

序号	主要内容	考核指标	评测手段/方法	完成情况
1	柔性法兰力控精度	≥±1N	第三方检测机构验证	±0.7N
2	柔性法兰带宽	≥1KHz	第三方检测机构验证	10.0KHz
3	主被动耦合柔性法兰	完成柔性法兰的设计和加工，为力控磨抛提供技术支撑	第三方检测机构验证	已完成
4	机器人曲面跟踪姿态误差	≤0.1°	第三方检测机构验证	0.09°
5	材料去除量计算周期	≤1ms	第三方检测机构验证	0.3ms
6	视觉原位测量精度	≥0.1mm	第三方检测机构验证	0.08mm
7	效率提升	高于人工1.5倍	第三方检测机构验证	高于人工1.56倍
8	磨抛粗糙度一致性	Ra2~3μm	第三方检测机构验证	Ra2~3μm，平均Ra2.44μm
9	分段分区域型面尺寸偏差（相对于平均尺寸）	≤±0.05mm	第三方检测机构验证	0.046mm
10	磨抛质量	型面过渡平滑、无氧化烧伤	第三方检测机构验证	型面过渡平滑、无氧化烧伤
11	柔性法兰的质量与负载力（最大接触正压力）	质量≤10Kg最大负载力≥50N	第三方检测机构验证	质量≤10Kg最大负载力≥50N
12	机器人自由度数	≥5个	第三方检测机构检测及申请发明专利1项	第三方检测结果表明机器人自由度数为8个；授权国家发明专利2项
13	联动轴数	≥5个	第三方检测机构检测	第三方检测结果表明机器人联动轴数为8个
14	机器人移动加工行程	≥58m	第三方检测机构检测及申请发明专利1项	第三方检测结果表明机器人移动加工行程>58m；授权国家发明专利2项
15	机器人承载能力	机器人运动臂承载≥200kg，机器人终端承载≥20kg	第三方检测机构检测	第三方检测结果表明机器人机械臂承载>212kg，机器人终端平台承载>23.3kg
16	机器人高能量密度驱动功能部件扭矩和转速	扭矩≥20N.m，转速≥2000r/min	第三方检测机构检测	第三方检测结果表明驱动单元额定转矩 22N.m，额定转速3000r/min
17	基于功率传递效率的运动学优化设计	建立完善的性能评价指标体系，获得一套最优化机构尺寸参数	1篇以上高水平论文	建立了以功率传递效率为核心的性能评价指标体系，并获得了一套最优化机构尺寸参数，相关方法发表SCI检索期刊论文1篇
18	整机轻量化及惯量优化匹配的高能效设计	完成一套整机轻量化设计方案，获得一套惯量优化参数	1篇以上高水平论文	采用最差工况辨识算法，完成了整机轻量化设计，获得了一套惯量优化参数，相关方法发表EI检索会议论文1篇
19	高精度运动学标定方法	实现并联模块的便捷、高效标定和误差补偿	1篇以上高水平论文	建立了刚柔耦合误差参数辨识方法，实现了并联模块的便捷、高效标定和误差补偿，相关方法发表EI检索会议论文1篇
20	面向高光反射曲面的三维激光扫描测头实物	实物样机1套	实物展示	研制实物样机2套
21	面向高光反射曲面的三维激光扫描测头的功能实现	可实现玻璃钢叶片的激光扫描测量	实物展示	经实验验证，成功实现风电叶片健壮、高效、高精的曲面测量功能
22	三维激光扫描测头X方向测量范围	300mm	第三方检测机构检测	通过无锡市计量测试院检测（X范围300mm），符合指标要求
23	三维激光扫描测头Y方向测量范围	200mm	第三方检测机构检测	通过无锡市计量测试院检测（Y范围200mm），符合指标要求
24	三维激光扫描测头单条激光采集点数	800个	第三方检测机构检测	通过无锡市计量测试院检测（大于等于800个），符合指标要求
25	三维激光扫描测头重复测量精度	±0.05mm	第三方检测机构检测	通过无锡市计量测试院检测（最大示值误差小于等于0.02mm），符合指标要求
26	三维激光扫描测头单幅面测量时间	＜12秒	第三方检测机构检测	通过无锡市计量测试院检测（小于等于12秒），符合指标要求
27	激光在玻璃钢叶片上的高光滤除和抑制	为激光特征提取算法设计提供技术支撑	申请发明专利1项	提出高光噪声剔除方法，申请发明专利1项，发表论文1篇
28	线激光特征的健壮性提取	为激光特征提取算法设计提供技术支撑	发表论文1篇	提出激光光条中心自适应提取方法，发表论文1篇，申请发明专利1项
29	多移动机器人协作型激光三维测量系统实物	实物1套	实物展示	搭建实物样机1套，申请专利2项
30	多移动机器人协作型激光三维测量系统功能实现	可实现超大叶片定位与叶型特征分析	实物展示	提出超大尺寸测量系统的高精度校准技术，发表论文1篇，通过武汉国家创新中心实地测试
31	叶片截面线参数测量精度（前缘型面，后缘厚度）	≤±0.05mm	第三方检测报告；发表论文1篇	通过国家机器人质量监督检验中心（重庆）检测（最大示值误差小于0.05mm），符合指标要求；发表论文1篇
32	大型风电叶片测量软件	具备测量规划，激光扫描测头控制与三维计算，点云数据处理，叶片定位，叶片截面特征分析等功能	发表论文2篇；申请发明专利1项；申请软件著作权1项	实验验证了测量系统的自主导航定位、视点规划、三维测量、数据融合和叶片分析等软件功能；发表论文2篇；申请发明专利2项；登记软件著作权2项
33	机器人加工行程	≥58m	第三方检测机构检测	已完成。通过第三方检测，机器人加工行程可达65.73m
34	磨抛质量	型面过渡平滑、无氧化烧伤	第三方检测机构检测	已完成。通过第三方检测，型面过渡平滑、无氧化烧伤
35	效率提升	高于人工1.5 倍	第三方检测机构检测	已完成。通过第三方检测，相比人工效率提升1.56倍
36	机器人末端位置误差	±0.2mm	第三方检测机构检测	已完成。通过第三方检测，机器人末端位置误差仅为0.101mm
37	机器人加工方式	双机器人对侧协同加工且互为支撑	第三方检测机构检测，申请发明专利2项	已完成。通过第三方检测，实现了双机器人对侧协同加工且互为支撑，并申报专利2项
38	双机协同碰撞检测与规避方法	实现快速、准确地多机器人协调运动碰撞检测与规避	高水平论文1篇，申请发明专利1项	已完成。发表论文1篇，申请发明专利1项
39	双机快速标定方法	标定时间：＜ 1min 标定精度： ±2mm	高水平论文1篇，申请发明专利1项，第三方检测机构检测；	已完成。通过第三方检测，标定时间12.11s，标定精度±0.6mm
40	复杂约束下双机器人跟踪轨迹规划方法	实现基于工艺参数与工件几何模型等多重约束条件下的路径规划	高水平论文1篇，申请发明专利1项；申请软件著作权1项	已完成。开发了基于工艺与工件几何模型的运动规划软件，申请软件著作权1项；申请发明专利2项，发表论文1篇
41	叶片长度	≥58米	第三方检测机构检测	通过第三方检测，新材叶片长度63.9米；中材叶片长度80.9米
42	单次装夹打磨区域大于叶片面积	≥90%	第三方检测机构检测	通过第三方检测，新材和中材产线单次装夹打磨区域分别相当于叶片面积90.2%和90.3%
43	磨抛质量	型面过渡平滑、无氧化烧伤	第三方检测机构检测	通过第三方检测，型面过渡平滑、无氧化烧伤
44	效率提升	高于人工1.5倍	第三方检测机构检测	通过第三方检测，新材和中材产线相比人工效率分别提升1.56倍和2.6倍
45	分段分区域型面尺寸偏差（相对于平均尺寸）	≤±0.05mm	第三方检测机构检测	通过第三方检测，新材和中材产线分段分区域型面尺寸偏差最大值分别为0.041mm和0.044mm
46	腻子平整度	优于0.1mm	第三方检测机构检测	通过第三方检测，新材和中材产线区域内腻子平整度最大值分别为0.04mm和0.06mm
47	风电叶片打磨结果评价及应用证明	2份	企业证明（2个应用企业，每个企业1份）	已完成，形成中材、新材两份企业应用证明

【技术成熟度】

本项目成果研究目前处于可量产阶段。

【应用场景】

打磨，是机械制造业、加工业、模具业等众多行业中的重要工序之一。而机器人在这一制造工序中，有着极为广阔的应用，无论是打磨、抛光，还是去毛刺，现在都可以看到机器人繁忙的身影。传统的人工打磨作业引发的各种安全隐患以及高强度的工作特性，人工作业显然已不适合企业的长远发展。打磨机器人能够保持产品的一致性、提高产品的质量和生产效率，随着对环境保护和安全的日益重视，以及进一步提高产品质量和生产效率的要求，打磨机器人也受到前所未有的关注。

【市场前景】

目前机器人打磨技术在汽车零部件、五金卫浴、3C电子、工业零件、医疗器械、航空航天和轨道交通等行业已经有较为成熟的应用。但相对焊接、喷涂、搬运码垛等机器人应用来说，打磨应用规模还比较小，随着人口红利的消失、产品成本降低和产品质量提高的要求，这一细分领域也蕴涵着巨大的发展潜力。近几年，我国打磨机器人行业市场规模快速增长，从2012年的15.58亿元增长到了2022年的96.1亿元，年均复合增长率达到18%，未来随着劳动力结构的改变及智能制造的发展仍有开拓增长空间。

【知识产权】

本成果已申请并授权多项中国发明专利，美国专利一篇，并取得了多项软件著作权。

【合作方式】

技术开发、面谈等。

【联系方式】

CG23025

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来源: 作者: 发布时间：2023-06-29 阅读量：_showDynClicks("wbnews", 1725772501, 3210)

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